JP2012033899A - 電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタ - Google Patents
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Abstract
【課題】容量が大きく、かつ厚さの薄い蓄電装置を得ること、高出力の蓄電装置を得ること、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製すること、蓄電装置の作製工程を削減すること、蓄電装置の作製コストを抑制する。
【解決手段】多孔質金属材料からなる一対の電極と、当該一対の電極との間に設けられた電解質とを有する電気二重層キャパシタ、或いは、正極集電体且つ正極活物質層として機能する多孔質金属体である正極と、負極集電体及び負極活物質層を有する負極と、当該正極及び負極との間に設けられた電解質とを有するリチウムイオンキャパシタに関する。
【選択図】図１
【解決手段】多孔質金属材料からなる一対の電極と、当該一対の電極との間に設けられた電解質とを有する電気二重層キャパシタ、或いは、正極集電体且つ正極活物質層として機能する多孔質金属体である正極と、負極集電体及び負極活物質層を有する負極と、当該正極及び負極との間に設けられた電解質とを有するリチウムイオンキャパシタに関する。
【選択図】図１
Description
開示される発明の一態様は、電気二重層キャパシタ及びその作製方法、並びに、リチウムイオンキャパシタ及びその作製方法に関する。
近年、二次電池や電気化学キャパシタ等の蓄電装置（蓄電デバイスとも言う）の技術開発が進められている。
電気化学キャパシタとして、リチウムイオンキャパシタ（特許文献１及び特許文献２参照）のようなハイブリッドキャパシタ、電気二重層キャパシタ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ：ＥＤＬＣ）（特許文献３及び特許文献４参照）等が開発されている。
このような電気化学キャパシタは、正極集電体及び正極活物質層を有する正極、負極集電体と負極活物質層を有する負極、並びに正極及び負極との間の電解質を有している。
電気二重層キャパシタの正極活物質及び負極活物質、並びにリチウムイオンキャパシタの正極活物質では、それぞれの表面に電気二重層が形成される。当該電気二重層の面積が増大する程、すなわち電気二重層キャパシタの正極活物質及び負極活物質、並びにリチウムイオンキャパシタの正極活物質の表面積が増大するほど、電気容量の増大に繋がる（特許文献５参照）。
電気化学キャパシタにおいて、活物質層の表面積は、容量を決定する重要なパラメータである。なぜなら活物質層の表面積が大きいほど、容量が増大するからである。
表面積が大きい活物質層の材料として、活性炭が挙げられる。また活性炭を作製する際に、賦活条件を調整することによって、より表面積が大きい活性炭を得ることができる。
しかしながら、活性炭の原材料を賦活すると、作製された活性炭の密度が減少する恐れがある。そのため活性炭の表面積向上には限界がある。
さらにリチウムイオンキャパシタにおいては、大容量に加えて高出力も重要なパラメータの一つである。リチウムイオンキャパシタにおいて、高出力を得るためには、電極の内部抵抗が低いことが必要である。
しかしながら、活性炭は低結晶性の炭素を用いて作製されているので、抵抗が高い。
また、電気二重層キャパシタの集電体、及びリチウムイオンキャパシタの正極集電体は、電気を通すことが目的である。
集電体の厚さが薄ければ薄いほど、電気化学キャパシタ全体の厚さを薄くすることが可能である。しかしながら、当該集電体の厚さをゼロにすることは不可能である。
また従来技術では、活物質、導電助剤、結着剤をスラリー化し、スラリー化したこれらの材料を、集電体上に塗布し、さらに乾燥することで、集電体上の活物質層を形成している。
以上のように、従来技術においては、活物質層の作製工程そのものが多くの工程を有している。また集電体と活物質を別の作製工程で作製しているため、蓄電装置の作製工程全体が多くなる。
活物質層を作製するために、活物質の他に、導電助剤や結着剤を用いる必要があるので、活物質層の作製コストは高い。また上述のように蓄電装置の作製工程が多いと、作製コストは高くなる。
以上を鑑みて、開示される発明の一様態では、容量が大きく、かつ厚さの薄い蓄電装置を得ることを課題の一とする。
また開示される発明の一様態では、高出力の蓄電装置を得ることを課題の一とする。
また開示される発明の一様態では、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することを課題の一とする。
また開示される発明の一様態では、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することで、蓄電装置の作製工程を削減することを課題の一とする。
また開示される発明の一様態では、蓄電装置の作製工程を削減することで、蓄電装置の作製コストを抑制することを課題の一とする。
電気二重層キャパシタの電極及びリチウムイオンキャパシタの正極の材料として、多孔質金属材料（多孔性金属材料とも言う）を用いる。
当該多孔質金属材料は、所定の合金に含まれる特定の成分のみを溶出することにより、作製する。例えば、第１の金属材料と第２の金属材料を含む合金から、第２の金属材料のみを除去する。第２の金属材料が除去されることで、当該合金中の第２の金属材料が存在していた領域が、細孔となる。以上により、当該第１の金属材料を基体とする多孔質金属材料を得ることができる。
当該多孔質金属材料は、金属であるため導電性を有する。そのため当該多孔質金属材料を用いて形成した、多孔質金属箔或いは多孔質金属板等の多孔質金属体は、集電体として機能する。
また当該多孔質金属体に電圧を印加すると、電解質との界面に、電気二重層が形成される。細孔を有さない金属体では、電気二重層が形成されても表面積が小さいので、十分な容量を得ることができない。しかしながら、当該多孔質金属体は、複数の細孔を有しているので表面積が大きい。当該多孔質金属体の表面積が大きいと、電気二重層が生じる面積が増大する。電気二重層が生じる面積が増大すると、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタとして、高容量を得ることができる。よって、当該多孔質金属材料を用いて形成された多孔質金属体は、電気二重層キャパシタの正極活物質層及び負極活物質層、並びにリチウムイオンキャパシタの正極活物質層として好適である。
すなわち、当該多孔質金属体は、電気二重層キャパシタの集電体及び活物質層として機能する。また当該多孔質金属体は、リチウムイオンキャパシタの正極集電体及び正極活物質層として機能する。
電気二重層キャパシタの集電体及び活物質を同じ材料（多孔質金属材料）で作製するので、電極の厚さを薄くすることができる。そのため、電気二重層キャパシタの全体の厚さを薄くすることが可能である。
リチウムイオンキャパシタの正極集電体及び正極活物質層を同じ材料（多孔質金属材料）で作製するので、正極の厚さを薄くすることができる。そのため、リチウムイオンキャパシタの全体の厚さを薄くすることが可能である。
電気二重層キャパシタの活物質及びリチウムイオンキャパシタの正極活物質層を導電性材料（多孔質金属材料）で作製するので、電気二重層キャパシタの活物質層及びリチウムイオンキャパシタの正極活物質層の内部抵抗を減少させることができる。そのため、高出力の電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタを得ることができる。
電気二重層キャパシタの電極及びリチウムイオンキャパシタの正極として、多孔質金属体を用いるので、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することができる。そのため、電気二重層キャパシタの電極及びリチウムイオンキャパシタの正極それぞれ、さらに電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタそれぞれを作製する作製工程の数を減少させることができる。
電気二重層キャパシタの電極及びリチウムイオンキャパシタの正極、並びに、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタの作製工程の数を減少できるので、作製コストを抑制することが可能である。
開示される発明の一様態は、多孔質金属材料からなる一対の電極と、当該一対の電極との間に設けられた電解質とを有することを特徴とする電気二重層キャパシタに関する。
開示される発明の一様態は、多孔質金属材料からなる一対の電極と、当該一対の電極との間に設けられた電解質とを有し、当該多孔質金属材料の容積当たりの表面積は、１００ｍ２／ｃｍ３以上であることを特徴とする。
開示される発明の一様態は、多孔質金属材料からなる一対の電極と、当該一対の電極との間に設けられた電解質とを有し、当該多孔質金属材料は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
開示される発明の一様態において、当該電極は、多孔質金属箔又は多孔質金属板であることを特徴とする。
開示される発明の一様態は、正極集電体且つ正極活物質層として機能する多孔質金属体である正極と、負極集電体及び負極活物質層を有する負極と、当該正極及び負極との間に設けられた電解質とを有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタに関する。
開示される発明の一様態は、正極集電体且つ正極活物質層として機能する多孔質金属体である正極と、負極集電体及び負極活物質層を有する負極と、当該正極及び負極との間に設けられた電解質とを有し、当該多孔質金属体の容積当たりの表面積は、１００ｍ２／ｃｍ３以上であることを特徴とするリチウムイオンキャパシタに関する。
開示される発明の一様態は、正極集電体且つ正極活物質層として機能する多孔質金属体である正極と、負極集電体及び負極活物質層を有する負極と、当該正極及び負極との間に設けられた電解質とを有し、当該多孔質金属体は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一つを含むことを特徴とするリチウムイオンキャパシタに関する。
開示される発明の一様態において、当該多孔質金属体は、多孔質金属箔又は多孔質金属板であることを特徴とする。
開示される発明の一様態において、当該負極活物質層は、炭素材料、シリコン材料、シリコン合金材料のいずれか一を用いて形成されることを特徴とする。
開示される発明の一様態において、当該負極活物質層は、突起状の結晶性シリコンを用いて形成されることを特徴とする。
開示される発明の一様態により、容量が大きく、かつ厚さの薄い蓄電装置を得ることができる。開示される発明の一様態により、高出力の蓄電装置を得ることができる。開示される発明の一様態により、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することができる。開示される発明の一様態により、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することで、蓄電装置の作製工程を削減することができる。開示される発明の一様態により、蓄電装置の作製工程を削減することで、蓄電装置の作製コストを抑制することができる。
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［実施の形態１］
本実施の形態の蓄電装置を、図１（Ａ）〜図１（Ｂ）、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を用いて説明する。
本実施の形態の蓄電装置を、図１（Ａ）〜図１（Ｂ）、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を用いて説明する。
＜電気二重層キャパシタについて＞
図１（Ａ）は本実施の形態の電気二重層キャパシタの断面図である。図１（Ａ）に示す電気二重層キャパシタは、筐体１２０の内部に、一対の電極である電極１０２及び電極１０３、電極１０２及び電極１０３との間に設けられるセパレータ１１０、筐体１２０中に満たされる電解質１１１を有している。さらに図１（Ａ）に示す電気二重層キャパシタは、電極１０２に接続する端子部１２１、及び電極１０３に接続する端子部１２２を有している。
図１（Ａ）は本実施の形態の電気二重層キャパシタの断面図である。図１（Ａ）に示す電気二重層キャパシタは、筐体１２０の内部に、一対の電極である電極１０２及び電極１０３、電極１０２及び電極１０３との間に設けられるセパレータ１１０、筐体１２０中に満たされる電解質１１１を有している。さらに図１（Ａ）に示す電気二重層キャパシタは、電極１０２に接続する端子部１２１、及び電極１０３に接続する端子部１２２を有している。
図１（Ｂ）に図１（Ａ）とは異なる構造を有する電気二重層キャパシタの断面を示す。図１（Ｂ）に示す電気二重層キャパシタは、筐体１２０の内部に、一対の電極である電極１０２及び電極１０３、電極１０２及び電極１０３との間に設けられるセパレータ１１０、セパレータ１１０内部に含有される電解質１１１を有している。
一対の電極である電極１０２及び電極１０３は、多孔質金属材料を用いて形成された、多孔質金属箔又は多孔質金属板等の多孔性金属体である。
一対の電極である電極１０２及び電極１０３を、多孔質金属材料を用いて形成すると、容量が大きく、かつ厚さの薄い蓄電装置を得ることができる。また高出力の蓄電装置を得ることができる。
当該多孔質金属体の作製方法を以下に示す。
まず、少なくとも２種類の金属材料を含む合金箔或いは合金板を用意する（図３（Ａ）参照）。本実施の形態では、基体となる第１の金属材料１３１、及び後に除去される第２の金属材料１３２を含む合金箔１３５を用意する。なお本実施の形態では、合金箔或いは合金板として、２種類の金属材料を含む合金箔或いは合金板を用いるが、金属材料の種類はこれに限定されない。合金箔或いは合金板を構成する金属材料は、３種類以上であってもよい。
第２の金属材料１３２を除去する材料として酸、さらに具体的には塩酸を用いる場合、第１の金属材料１３１として、水素の標準電極電位より高い標準電極電位を有する金属材料を用いる。また第２の金属材料１３２を除去する材料として塩酸を用いる場合、第２の金属材料１３２として、水素の標準電極電位より低い標準電極電位を有する金属材料を用いる。第２の金属材料１３２を除去する材料として酸を用いると、水素の標準電極電位より低い標準電極電位を有する金属材料は、イオン化して溶出してしまうからである。
より具体的には、基体となる第１の金属材料１３１の例として、水素よりもイオン化傾向の小さい金属材料である、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等が挙げられる。また後に除去される第２の金属材料１３２として、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）等が挙げられる。
ただし、第２の金属材料１３２を除去する酸として、塩酸以外に硝酸や硫酸を用いることも可能である。第２の金属材料１３２を除去する酸として硝酸を用いた場合は、第１の金属材料１３１として、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）の他に、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）を用いることができる。クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）は硝酸に対して不動態を形成するので、第１の金属材料１３１として用いることができる。
第２の金属材料１３２を除去する酸として硝酸を用いた場合は、第２の金属材料１３２として、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉛（Ｐｂ）を用いればよい。
また第２の金属材料１３２を除去する酸として希硫酸を用いた場合は、第１の金属材料１３１として、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）の他に、鉛（Ｐｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）を用いることができる。鉛（Ｐｂ）と希硫酸を反応させると、鉛（Ｐｂ）の表面に不溶性の硫酸鉛を生じる。硫酸鉛が表面に生じると、鉛はそれ以上硫酸に溶けない。そのため第２の金属材料１３２を除去する酸として希硫酸を用いる場合には、第１の金属材料１３１として、鉛（Ｐｂ）を用いることができる。また希硫酸とニッケル（Ｎｉ）は、反応速度が遅い。そのため第２の金属材料１３２を除去する酸として希硫酸を用いる場合は、第１の金属材料１３１として、ニッケル（Ｎｉ）を用いることができる。
第２の金属材料１３２を除去する酸として希硫酸を用いた場合は、第２の金属材料１３２として、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）を用いればよい。
本実施の形態では、例えば第１の金属材料１３１として銅、第２の金属材料１３２として亜鉛を用い、合金箔１３５として銅と亜鉛の合金である真鍮の箔を用いる。
合金箔１３５を、第２の金属材料１３２を除去する材料１３３、例えば塩酸に含浸させる（図３（Ｂ）参照）。第２の金属材料１３２を除去する材料１３３として、上述の通り、硝酸、塩酸、希硫酸等の酸を用いればよい。本実施の形態では、第２の金属材料１３２を除去する材料１３３として、塩酸を用いる。
第２の金属材料１３２を除去する材料１３３、例えば塩酸に合金箔１３５を含浸させると、第２の金属材料１３２が溶出し、第２の金属材料１３２が存在していた領域に細孔１３４が形成される（図３（Ｃ）参照）。これにより、第１の金属材料１３１を基体とし、細孔１３４を有する多孔質金属箔１３６を得ることができる。得られた多孔質金属箔１３６を、電極１０２及び電極１０３として用いればよい。
本実施の形態において、第１の金属材料１３１及び第２の金属材料１３２として、それぞれ銅及び亜鉛を用い、銅及び亜鉛の重量比が６：４である真鍮箔を用意した。当該真鍮箔は合金箔１３５に相当する。また第２の金属材料１３２（亜鉛）を除去する材料１３３として塩酸を用い、当該真鍮箔を１×１０−３ｍｏｌ／ｃｍ３の塩酸中に５００時間以上浸すことにより、多孔質金属箔１３６を形成した。
以上のようにして作製した多孔質金属箔１３６のＳＥＭ写真を図５に示す。図５から、第２の金属材料１３２である亜鉛が除去され、細孔１３４が形成されることが示される。
なお、細孔１３４の径及び多孔質金属箔１３６の厚さは、電気二重層キャパシタの電解質１１１の種類と、電気二重層キャパシタ全体の大きさに基づき、適宜決定すればよい。
多孔質金属箔１３６の容積当たりの表面積は、１００ｍ２／ｃｍ３以上が好適である。多孔質金属箔１３６の容積当たりの表面積が、１００ｍ２／ｃｍ３以上であると、多孔質金属箔１３６と電解質１１１との接触面積が非常に大きくなるため、蓄積可能な電気容量を増大させることができる。
以上により、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することで、蓄電装置の作製工程を削減することができる。蓄電装置の作製工程を削減することで、蓄電装置の作製コストを抑制することができる。
なお筐体１２０は、ラミネートフィルム、高分子フィルム、金属フィルム、金属ケース、プラスチックケース等を用いればよい。
電解質１１１として、例えば電解液を用いることができる。上記電解液としては，例えば水酸化リチウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液、水酸化テトラアルキルアンモニウム水溶液等、水酸化物イオンを含み、水を溶媒とする電解液を用いることができる。好ましくはアルカリ金属の水酸化物を水に溶解させた水溶液、さらに好ましくは水酸化リチウム水溶液がよい。特に、リチウム（Ｌｉ）は最も卑な標準電極電位を示すので、リチウムイオンを含む水溶液は電解液として好適である。
また当該電解液として、水素イオンを含み、水を溶媒とする酸を用いることができる。このような酸として、例えば希硫酸が挙げられる。
また、例えば、リチウムイオン、カリウムイオン等のアルカリ金属カチオンと、ＢＦ４ −、ＰＦ６ −、ＣｌＯ４ −、またはＣＦ３ＳＯ３ −なるアニオンとを組み合わせた塩を溶質として、当該溶質を有機溶媒に溶解させた電解液を用いてもよい。
或いは、テトラアルキルアンモニウム塩を溶質として、当該溶質を有機溶媒に溶解させた電解液を用いてもよい。テトラアルキルアンモニウム塩を、有機溶媒に溶解させると、テトラアルキルアンモニウムカチオンと、対となるアニオンが形成される。このようなテトラアルキルアンモニウムカチオンとアニオンが電気二重層を形成する。テトラアルキルアンモニウムカチオンの例として、テトラエチルアンモニウムカチオン、テトラブチルアンモニウムカチオンが挙げられる。また、対となるアニオンの例として、ＰＦ６ −が挙げられる。
上述の有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート，エチレンカーボネート，ブチレンカーボネート，ジメチルカーボネート，メチルカーボネート，ジエチルカーボネート，スルホラン，メチルスルホラン，γ−ブチロラクトン，γ−バレロラクトン，Ｎ−メチルオキサゾリジノン，ジメチルスルホキシド，及びトリメチルスルホキシド等から選ばれる１種類以上の材料を含む有機溶媒が挙げられる。特に、リチウム（Ｌｉ）は最も卑な標準電極電位を示すので、リチウムイオンを含む有機溶媒は電解液として好適である。
またセパレータとしては，例えば、セルロース（紙）、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリエステル不織布、ガラス繊維シート、多孔質ポリエチレン、多孔質ポリプロピレン、多孔質ポリエステル等を用いることができる。
本実施の形態により、容量が大きく、かつ厚さの薄い蓄電装置を得ることができる。本実施の形態により、高出力の蓄電装置を得ることができる。本実施の形態により、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することができる。本実施の形態により、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することで、蓄電装置の作製工程を削減することができる。本実施の形態により、蓄電装置の作製工程を削減することで、蓄電装置の作製コストを抑制することができる。
＜リチウムイオンキャパシタについて＞
図２（Ａ）は本実施の形態のリチウムイオンキャパシタの断面図である。図２（Ａ）に示すリチウムイオンキャパシタは、筐体１２０の内部に、正極１０１、負極１０７、正極１０１及び負極１０７との間に設けられるセパレータ１１０、筐体１２０中に満たされる電解質１１２を有している。負極１０７は、負極集電体１０５及び負極活物質層１０６を有している。さらに図２（Ａ）に示すリチウムイオンキャパシタは、正極１０１に接続する端子部１２１、及び負極１０７に接続する端子部１２２を有している。
図２（Ａ）は本実施の形態のリチウムイオンキャパシタの断面図である。図２（Ａ）に示すリチウムイオンキャパシタは、筐体１２０の内部に、正極１０１、負極１０７、正極１０１及び負極１０７との間に設けられるセパレータ１１０、筐体１２０中に満たされる電解質１１２を有している。負極１０７は、負極集電体１０５及び負極活物質層１０６を有している。さらに図２（Ａ）に示すリチウムイオンキャパシタは、正極１０１に接続する端子部１２１、及び負極１０７に接続する端子部１２２を有している。
図２（Ｂ）に図２（Ａ）とは異なる構造を有するリチウムイオンキャパシタの断面を示す。図２（Ｂ）に示すリチウムイオンキャパシタは、筐体１２０の内部に、正極１０１、負極１０７、正極１０１及び負極１０７との間に設けられるセパレータ１１０、セパレータ１１０内部に含有される電解質１１２を有している。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すリチウムイオンキャパシタの正極１０１は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示す電気二重層キャパシタの電極１０２及び電極１０３と同様に、多孔質金属材料を用いて形成された、多孔質金属箔或いは多孔質金属板等の多孔質金属体である。当該多孔質金属体は、リチウムイオンキャパシタの正極集電体且つ正極活物質層として機能する。
正極１０１を、多孔質金属材料を用いて形成すると、容量が大きく、かつ厚さの薄い蓄電装置を得ることができる。また高出力の蓄電装置を得ることができる。また、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することで、蓄電装置の作製工程を削減することができる。蓄電装置の作製工程を削減することで、蓄電装置の作製コストを抑制することができる。
負極集電体１０５として、箔状、板状、または網状の導電性部材を用いることができる。負極集電体１０５は、例えば、白金、アルミニウム、銅、チタンなどの導電性の高い金属元素を用いて形成することもできる。また負極集電体１０５は、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いて形成することもできる。或いはジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケルなどのシリサイドを形成する金属元素を用いて形成することもできる。また、負極集電体１０５としてシリコンウェハなどの半導体基板を用いてもよい。
負極活物質層１０６は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料を用いて形成される。当該リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料として、炭素材料、シリコン材料、シリコン合金材料等が挙げられる。
当該炭素材料として、粉末状または繊維状の黒鉛等の炭素材を用いることが可能である。
また当該シリコン材料として、微結晶シリコンを成膜し、微結晶シリコン中に存在する非結晶シリコンをエッチングにより除去したものを用いてもよい。微結晶シリコン中に存在する非結晶シリコンを除去すると、残った微結晶シリコンの表面積が大きくなる。
また当該シリコン材料として、ウィスカーを含むことが好ましい。本明細書等において、ウィスカーとは突起（髭）状の結晶性シリコンである。しかし、結晶性の突起であれば、ウィスカーの形状は特に限定されない。例えば、円柱状、角柱状などの柱状、円錐状、角錐状などの針状でもよい。また、ウィスカーの頂部は、湾曲した形状を有していてもよい。複数のウィスカーが形成される場合において、各々の突起の伸長方向（すなわち、軸の方向）は、不揃いであってもよい。または、複数のウィスカーにおける突起の伸長方向（すなわち、軸の方向）は、集電体の法線方向であってもよい。また、本明細書等においてウィスカーとの表記には、ウィスカー群（複数のウィスカー）を含むことがある。負極活物質層１０６にウィスカー群が含まれると、負極活物質層１０６の表面積が増大し、リチウムイオンキャパシタの放電容量を高めることができる。
負極活物質層１０６は、当該リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料に、金属リチウムを含浸させることにより形成する。
ただし、キャリアイオンとしてリチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、又はキャリアイオンとしてアルカリ土類金属イオンを用いる場合は、当該キャリアイオンの原料を、炭素材料、シリコン材料、シリコン合金材料等に含浸させたものを負極活物質層１０６として用いる。このようにして、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンをキャリアイオンとする電気化学キャパシタを得ることが可能である。
電解質１１２として液体状電解質、すなわち電解液を用いる場合は、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎなどのリチウム塩などの材料を用いることができる。また、キャリアイオンを、リチウム以外のアルカリ金属イオン、またはアルカリ土類金属イオンとする場合は、当該電解液の溶質として、ナトリウム塩、カリウム塩などのアルカリ金属塩、または、ベリリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、ストロンチウム塩、バリウム塩などのアルカリ土類金属塩を用いることができる。
当該電解液の溶媒は、キャリアイオンの移送が可能な材料を用いることができ、非プロトン性有機溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性有機溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフランなどを用いることができる。また、当該電解液の溶媒は、一または複数の材料を用いることができる。また、当該電解液の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性を含めた安全性が高まり、また、本実施の形態の電気化学キャパシタの薄型化および軽量化が可能となる。ゲル化される高分子材料は、例えば、シリコンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマーなどがある。
また電解質１１２として、固体電解質層を用いた電気化学キャパシタを図２（Ｃ）に示す。電解質１１２として固体電解質層を用いた場合は、セパレータ１１０を設けずに、正極１０１及び負極１０７との間に電解質１１２（固体電解質層）を設ける。
当該固体電解質層は、リン酸リチウム（ＬｉｘＰＯｙ）、リン酸鉄リチウム（ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ）、リン酸マンガンリチウム（ＬｉｘＭｎｙ（ＰＯ４）ｚ）、リン酸ニッケルリチウム（ＬｉｘＮｉｙ（ＰＯ４）ｚ）、リン酸クロムリチウム（ＬｉｘＣｒｙ（ＰＯ４）ｚ）などのリチウム酸化物又はリン酸塩、および硫化リンリチウム（ＬｉｘＰＳｙ）などの硫化リン化合物などを用いることができる（上記ｘ、ｙ、ｚは正の実数である）。また、当該固体電解質層は単層構造でもよいし、積層構造でもよい。本実施の形態では、当該固体電解質層としてリン酸リチウムを用い、単層構造で形成することとする。
また当該固体電解質層は、例えば、スパッタリング法を用いて形成することができる。スパッタリング法で当該固体電解質層としてリン酸リチウムを形成する場合、少なくともＬｉおよびＰＯ４を含む組成のスパッタリングターゲットを用いて、希ガスなどのイオンで該ターゲットをスパッタリングすればよい。スパッタリングターゲットを構成する材料の組成としては、一般式としてＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚが挙げられ、具体的にはＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３が挙げられる。また、ターゲットを構成する材料は混合材料としてもよく、例えばＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３およびＦｅ２Ｏ３の混合が挙げられる。また、ターゲットにナシコン型のリン酸鉄リチウムを用いることが好ましい。これにより、安価で安定なターゲットを用いて、当該固体電解質層を形成することができる。
本実施の形態により、容量が大きく、かつ厚さの薄い蓄電装置を得ることができる。本実施の形態により、高出力の蓄電装置を得ることができる。本実施の形態により、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することができる。本実施の形態により、集電体と活物質層を同じ作製工程で作製することで、蓄電装置の作製工程を削減することができる。本実施の形態により、蓄電装置の作製工程を削減することで、蓄電装置の作製コストを抑制することができる。
［実施の形態２］
本実施の形態では、実施の形態１で説明した蓄電装置の応用形態について、図４を参照して説明する。
本実施の形態では、実施の形態１で説明した蓄電装置の応用形態について、図４を参照して説明する。
実施の形態１で説明した蓄電装置は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置などの電子機器に用いることができる。また、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道用電気車両、作業車、カート、車椅子等の電気推進車両に用いることができる。ここでは、電気推進車両の代表例として車椅子を用いて説明する（図４参照）。
図４は電動式の車椅子５０１の斜視図である。電動式の車椅子５０１は、使用者が座る座部５０３、座部５０３の後方に設けられた背もたれ５０５、座部５０３の前下方に設けられたフットレスト５０７、座部５０３の左右に設けられたアームレスト５０９、背もたれ５０５の上部後方に設けられたハンドル５１１を有する。アームレスト５０９の一方には、車椅子５０１の動作を制御するコントローラ５１３が設けられる。座部５０３の下方のフレーム５１５を介して、座部５０３前下方には一対の前輪５１７が設けられ、座部５０３の後下方には一対の後輪５１９が設けられる。後輪５１９は、モータ、ブレーキ、ギアなどを有する駆動部５２１に接続される。座部５０３の下方には、バッテリ、電力制御部、制御手段などを有する制御部５２３が設けられる。制御部５２３は、コントローラ５１３および駆動部５２１と接続しており、使用者によるコントローラ５１３の操作により、制御部５２３を介して駆動部５２１が駆動し、電動式の車椅子５０１の前進、後進、旋回等の動作および速度を制御する。
本実施の形態では、実施の形態１で説明した蓄電装置を制御部５２３の電源として用いることができる。制御部５２３の電源は、プラグイン技術や非接触給電による外部からの電力供給により充電をすることができる。また、電気推進車両が鉄道用電気車両の場合、架線や導電軌条からの電力供給により充電をすることもできる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成、方法などと適宜組み合わせて実施することが可能である。
１０１ 正極
１０２ 電極
１０３ 電極
１０５ 負極集電体
１０６ 負極活物質層
１０７ 負極
１１０ セパレータ
１１１ 電解質
１１２ 電解質
１２０ 筐体
１２１ 端子部
１２２ 端子部
１３１ 金属材料
１３２ 金属材料
１３３ 材料
１３５ 合金箔
１３６ 多孔質金属箔
５０１ 車椅子
５０３ 座部
５０７ フットレスト
５０９ アームレスト
５１１ ハンドル
５１３ コントローラ
５１５ フレーム
５１７ 前輪
５１９ 後輪
５２１ 駆動部
５２３ 制御部
１０２ 電極
１０３ 電極
１０５ 負極集電体
１０６ 負極活物質層
１０７ 負極
１１０ セパレータ
１１１ 電解質
１１２ 電解質
１２０ 筐体
１２１ 端子部
１２２ 端子部
１３１ 金属材料
１３２ 金属材料
１３３ 材料
１３５ 合金箔
１３６ 多孔質金属箔
５０１ 車椅子
５０３ 座部
５０７ フットレスト
５０９ アームレスト
５１１ ハンドル
５１３ コントローラ
５１５ フレーム
５１７ 前輪
５１９ 後輪
５２１ 駆動部
５２３ 制御部
Claims (10)
- 多孔質金属材料からなる一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられた電解質とを有することを特徴とする電気二重層キャパシタ。
- 多孔質金属材料からなる一対の電極と、前記一対の電極の間に設けられた電解質とを有し、
前記多孔質金属材料の容積当たりの表面積は、１００ｍ２／ｃｍ３以上であることを特徴とする電気二重層キャパシタ。 - 多孔質金属材料からなる一対の電極と、前記一対の電極との間に設けられた電解質とを有し、
前記多孔質金属材料は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一つを含むことを特徴とする電気二重層キャパシタ。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記電極は、多孔質金属箔又は多孔質金属板であることを特徴とする電気二重層キャパシタ。 - 正極集電体且つ正極活物質層として機能する多孔質金属体である正極と、
負極集電体及び負極活物質層を有する負極と、
前記正極及び負極との間に設けられた電解質とを有することを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。 - 正極集電体且つ正極活物質層として機能する多孔質金属体である正極と、
負極集電体及び負極活物質層を有する負極と、
前記正極及び負極との間に設けられた電解質とを有し、
前記多孔質金属体の容積当たりの表面積は、１００ｍ２／ｃｍ３以上であることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。 - 正極集電体且つ正極活物質層として機能する多孔質金属体である正極と、
負極集電体及び負極活物質層を有する負極と、
前記正極及び負極との間に設けられた電解質とを有し、
前記多孔質金属体は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一つを含むことを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。 - 請求項５乃至請求項７のいずれか一項において、
前記多孔質金属体は、多孔質金属箔又は多孔質金属板であることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。 - 請求項５乃至請求項８のいずれか一項において、
前記負極活物質層は、炭素材料、シリコン材料、シリコン合金材料のいずれか一を用いて形成されることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。 - 請求項５乃至請求項８のいずれか一項において、
前記負極活物質層は、突起状の結晶性シリコンを用いて形成されることを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
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